連續時變信道對協作通信性能影響的研究

宋光明，費　禮，方毅偉

（1.海軍裝備研究院，北京100161；2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所，武漢430079）

連續時變信道對協作通信性能影響的研究

宋光明1，費禮2，方毅偉2

（1.海軍裝備研究院，北京100161；2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所，武漢430079）

協作通信能夠抵抗無線信道衰落，是提高無線通信系統性能的有效手段。但是，其性能優勢的發揮受信道時變的影響。文章研究了連續時變信道下協作通信系統的性能，為了準確反映信道連續時變情況，采用內插濾波高斯噪聲法構建連續時變信道模型，選取誤包率作為性能指標。仿真結果表明，連續時變信道下，隨數據傳輸逐漸加重程度的過時信道狀態信息將導致協作通信誤包率性能大幅惡化。

連續時變信道；協作通信；過時信道狀態信息

協作通信是近年來出現的一種新的無線通信方式，被應用于蜂窩通信系統、移動自組織網絡、無線傳感器網絡等多種通信系統或網絡中。它是通過源節點和目的節點間的多個中繼節點協同轉發信息，使目的節點收到多個經歷獨立衰落的信號樣本，獲得空間分集，抵抗無線信道衰落，可大幅提升系統性能［1-2］。然而，協作通信的性能高低與中繼選擇是否合適有緊密聯系。選擇信道質量好的中繼節點參與協作可進一步提升協作通信系統性能［3-6］；若是中繼選擇出現偏差，協作通信系統性能將會惡化并可能低于非協作系統［7-9］。因此，需要根據中繼節點所在鏈路的信道狀態信息（Channel State Information，CSI）進行中繼選擇。

目前，大部分有關中繼選擇的研究是基于理想CSI的假設，即選擇時根據的CSI與數據傳輸經歷的CSI一致。但在實際系統中，該假設未必成立。中繼選擇是在數據傳輸之前進行的，并與數據傳輸時刻存在一定時間間隔。而無線通信中，由于節點或信道中物體的移動，信道響應隨時間變化，導致中繼選擇時的信道狀態并非數據傳輸時的信道狀態（即CSI過時）?；谶^時CSI做出的中繼選擇決策并非數據傳輸時的最優決策，從而制約著協作通信性能的發揮。文獻［9-14］已經研究了過時CSI對協作通信系統性能的影響，發現過時CSI將導致系統性能下降。然而，現有關于過時CSI的研究顯式或隱式地采用了分組衰落信道模型，僅考慮了信道在中繼選擇階段與數據傳輸階段間的變化，而未考慮信道在數據傳輸過程中的變化。由于數據傳輸需要耗費一定時間，有時甚至比中繼選擇階段與數據傳輸階段間的時間間隔更大，信道在數據傳輸中的變化不能忽視。由此將帶來中繼選擇依據的CSI過時程度隨數據傳輸的進行不斷加重的情況，可能給協作通信性能帶來更惡劣的影響。

針對上述問題，為了充分評估信道時變下協作通信的性能，本文研究了連續時變信道對協作通信性能的影響。信道響應不僅在中繼選擇和數據傳輸之間變化，還在數據傳輸的過程中持續變化。本文采用內插濾波高斯噪聲法構建連續時變信道模型，選取誤包率（Packet Error Rate，PER）作為性能指標，評估了連續時變信道下協作通信系統性能。仿真結果表明，連續時變信道下隨數據傳輸逐漸加重程度的過時，CSI將導致協作通信誤包率性能大幅惡化。本文還對協作通信系統性能隨系統和信道參數的變化關系做了分析研究。

1　系統模型

針對連續時變信道下的協作通信建立系統模型，為開展協作通信性能評估提供基礎。

1.1系統描述

考慮在一定范圍內，若干節點自組織通信。其中，K個節點作為中繼節點以解碼轉發的方式幫助源節點（S）協作傳輸數據給目的節點（T），每個節點采用單天線收發數據。所謂解碼轉發，就是中繼節點接收源節點發送的數據，成功解調解碼后，再編碼調制轉發給目的節點。未能成功解碼源節點數據的中繼節點將不參與數據轉發。數據是以包為單位進行傳輸，數據包是由若干比特調制成的符號組成，數據包中的所有符號均檢測正確才意味著數據包解碼成功。由于參與轉發的中繼節點都能成功接收源節點的數據，屏蔽了源節點到中繼節點間信道衰落和噪聲對目的節點最終接收信號的累積影響。同時，該方式轉發的是解調解碼后的基帶數據，避免了對射頻信號的直接轉發，復雜度較低。

解碼轉發方式下，由于只有成功接收源節點數據的中繼節點能參與協作，中繼選擇只需考慮各解碼成功中繼節點到目的節點鏈路的信道狀態，且在源節點發送數據后進行。整個協作過程分為3個階段：數據階段1、中繼選擇階段和數據階段2。

數據階段1：源節點使用一定功率發送數據給目的節點，所有中繼節點監聽并嘗試解碼源節點發送的數據。根據對檢錯碼的解碼，各中繼節點可以知曉自己解碼是否成功。解碼成功的中繼節點組成解碼集合，只有解碼集合中的節點才能參與數據轉發。

中繼選擇階段：在解碼集合中選擇瞬時信道增益最大的中繼節點參與協作，信道增益為對應鏈路信道響應的模平方。該選擇策略被稱作機會中繼選擇（Opportunistic Relay Selection，ORS）策略，由于其較低的復雜度，被普遍采用［3-4，6-12］。

數據階段2：選中的中繼節點使用和源節點相同的功率轉發數據給目的節點，目的節點合并收到的信號并檢測解碼。

圖1給出了上述解碼轉發方式下的協作過程，灰色節點所示為選中的中繼節點，圖中虛線圈出的為解碼成功中繼節點，即解碼集合。

圖1　解碼轉發方式下的協作過程Fig.1 Cooperative procedure of decode-and-forward manner

值得注意的是，中繼選擇策略可以采用集中式方式，也可采用分布式方式實現。當采用集中式方式時，系統中某一節點（通常是目的節點）臨時作為中心節點收集所有解碼成功中繼節點所在鏈路的CSI，進行中繼選擇操作，并反饋選擇結果給所有中繼節點。當采用分布式方式時，系統中各中繼節點通過接收目的節點發送的訓練序列獲得自身所在鏈路的CSI，進而采用定時器超時廣播信標的方法競爭參與協作。不論采用集中式還是分布式的中繼選擇方式，都勢必引入CSI獲取和中繼選擇的延時，且還會有節點任務調度等額外延時引入。在時變信道下，都會發生CSI過時情況。本文為方便描述和數學表達，采用集中式中繼選擇方式。分布式方式的結果和集中式的類似。

在信道方面，各條鏈路信道響應隨時間連續變化。這種連續時變的信道必然導致過時CSI問題，而且由于信道在整個數據包傳輸過程中變化，CSI過時程度還會隨著數據包傳輸的進行而逐漸加重。由于本文采用的是解碼轉發方式，中繼選擇根據的是各解碼成功中繼節點到目的節點的CSI，因而只需考慮中繼節點到目的節點鏈路的過時CSI問題。另外，假設信道連續時變并不影響節點接收檢測信號時的信道狀態信息獲取，即接收機可以準確地獲取用于檢測符號的信道狀態信息。這可以通過在數據包中以較短周期插入導頻符號實現［15］。

1.2數學模型

針對上述系統建立數學模型。假設系統中任一鏈路A-B（可以是源到目的、源到中繼、中繼到目的鏈路）的信道均為Rayleigh衰落信道，其在時刻t的信道響應由hAB（t）表示，數學上建模為循環對稱復高斯分布隨機變量，均值為0，方差為。根據文獻［16］中給出的無線信道模型，可表示為：

式（1）中：dAB為鏈路A-B的距離；λ為載波波長；d0為模型中的參考距離；α為路徑損耗指數。

式（2）中：hkD（ts）為中繼選擇時依據的鏈路k-D信道響應；k為中繼節點的標號；D為解碼成功中繼節點集合。

節點接收數據包時，只要有一個數據符號接收錯誤，整個數據包接收失敗，即發生誤包。發生誤包的中繼節點解碼不成功，不參與數據轉發。在上述信道模型下，任意鏈路A-B上的誤包率表示為：

文獻［17］已經給出了其具體表達式，但形式復雜，需要計算N維多重積分。幸運的是，可采用文獻［18］給出的內插濾波高斯噪聲法模擬連續時變信道，進而通過多次仿真統計得到系統誤包率。模擬連續時變信道的內插濾波高斯噪聲法如圖2所示。

圖2　建模連續時變信道的內插濾波高斯噪聲法Fig.2 Interpolated filtered Gaussian noise method for modeling continuous time-varying channel

根據圖2，模擬任一鏈路A-B信道的內插濾波高斯噪聲法分為4個步驟。

1）產生標準復高斯隨機過程。

式中，fAB為鏈路A-B的最大多普勒頻移。

3）對濾波后的復高斯序列進行線性和多項式聯合內插，以使其與將要經過信道的信號時間間隔匹配。

4）根據需要的信道增益對內插后的序列進行幅度擴展。

當考慮中繼選擇階段所依據的信道增益與數據傳輸過程中各信道增益采樣值的關系時，只需擴展相應鏈路的信道增益采樣值向量至N+1維，仍可采用上述內插濾波高斯噪聲法模擬。

信道的多普勒頻移越大，信道時變越劇烈，對于越后傳輸的數據符號，中繼選擇階段依據的信道增益與其經歷的信道增益相關性越弱，即隨數據包的傳輸CSI過時程度逐漸加重。

2　仿真結果

本節給出連續時變信道下基于ORS策略的解碼轉發協作傳輸系統誤包率仿真結果。仿真假設5個節點作為中繼節點分布在100 m×100 m的區域中，另有2個節點作為源節點和目的節點，分別位于該區域兩條對邊的中點上。數據包包含1 000 bit，采用二相相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）調制成符號，符號傳輸速率為1 MBaud。載波頻率2.4 GHz，路徑損耗指數α=3，路徑損耗參考距離d0=10 m，噪聲方差σ2=-90dBm，中繼選擇階段耗時0.5ms。為了簡化仿真場景布置，不失一般性，各鏈路信道多普勒頻移設為相同，記為 f0，設為100Hz。

圖3給出了在不同信道模型下協作系統的誤包率隨平均接收信噪比（Ssignal-to-Noise Ration，SNR）的變化關系。從圖中可以看出，協作通信在連續時變信道下較在分組衰落信道下誤包率性能惡化更為嚴重?？梢?，僅考慮信道在中繼選擇階段與數據傳輸階段間的變化不足以反映信道時變特性對協作通信性能的影響，信道在數據傳輸過程中的變化所帶來的影響不能忽視。但是，信道在數據傳輸過程中的變化不僅會導致過時CSI，還會導致數據包中各符號經歷信道相關性的減弱。這2種情況都會使得協作通信誤包率性能惡化。隨數據包傳輸逐漸加重程度的過時CSI將導致中繼選擇決策針對越后傳輸的數據越是偏離最優決策，進而使得協作通信誤包率性能惡化。各符號經歷信道的相關性減弱會使得數據包中所有符號同時接收成功的概率下降，誤包率也會上升。

圖3　不同信道模型下協作通信系統誤包率隨信噪比的變化關系Fig.3 PER performance of cooperative communication system over SNR under different channel models

為了研究對誤包率產生影響的主要因素，圖3也給出了信道連續時變但假設中繼選擇準確時的誤包率性能曲線?？梢钥闯?，其與理想CSI下的誤包率曲線較接近，而與連續時變信道下的誤包率曲線相距甚遠。這說明，不考慮由信道時變所導致的過時CSI問題，系統性能惡化程度較小。也就是說，系統性能的惡化主要受過時CSI的影響，只有充分考慮了這一因素才能真正反映信道時變對協作通信性能的影響。

圖4給出了協作系統誤包率隨網絡其他參數的變化關系。當變化某一參數時，其他參數設置與本節初始設置相同，信噪比設為15dB。

圖4　協作通信系統誤包率隨其他參數的變化關系Fig.4 PER performance of cooperative communication system over other parameters

從圖4 a）中可以看出，數據包較短時，連續時變信道下的誤包率與理想CSI和分組衰落信道下的誤包率差距較小，但隨著數據包長度的增加，其與這2種信道模型下誤包率的差別逐漸加大。這是因為，數據包長度較短時，數據傳輸耗時較少，信道在數據傳輸過程中的變化不大，而當數據包增長時，信道在數據傳輸過程中變化幅度加大。另外，隨著數據包長度的縮短，連續時變信道下的誤包率與分組衰落信道下的誤包率逐漸相同。這是因為，隨著數據包長度的縮短，信道在數據傳輸過程中的變化幅度降低，過時CSI主要由中繼選擇階段的耗時導致，而中繼選擇階段的耗時在兩種信道模型下是一致的。

從圖4 b）中可以看出，隨著多普勒頻移的增加，連續時變信道下與分組衰落信道下的誤包率差距逐漸加大，但當多普勒頻移進一步增大時，兩者差距減小。這是因為，多普勒頻移開始增大時，信道在數據傳輸過程中變化幅度增大，CSI的過時程度隨數據傳輸劇烈加重。但當多普勒頻移進一步增大時，不論哪種信道模型，中繼選擇階段耗時所導致的CSI過時程度已經很大，導致數據傳輸時的CSI與中繼選擇時的CSI趨向獨立。進而，2種信道模型下過時CSI對誤包率的影響趨于一致，兩者的性能差距又減小。注意到，理想CSI下，由于假設信道在一次協作過程中始終不變，誤包率不隨多普勒頻移變化。

從圖4 c）中可以看出，隨著中繼選擇階段耗時的增大，連續時變信道下與分組衰落信道下的誤包率差距逐漸減小。該現象表面上看較為奇怪，其實有其內在原因。隨著中繼選擇階段耗時的增大，其所導致的CSI過時程度增大，進而數據傳輸時的CSI與中繼選擇時的CSI趨向獨立，2種信道模型下過時CSI對性能的影響趨于相同，兩者性能差距逐漸減小。但2種信道模型下誤包率的差距并不會消失。這是因為，連續時變信道除了造成過時CSI外，還會造成數據包中各符號經歷信道相關性的減弱，使得所有符號均接收成功的概率下降。因此，連續時變信道下誤包率會始終高于分組衰落信道下的誤包率。和圖4 b）類似，圖4 c）中理想CSI下誤包率也不隨中繼選擇階段耗時變化。

3　結束語

協作通信是一種新興的無線通信技術，可以有效克服信道隨機衰落對通信性能的影響。但是，無線信道的時變特性將導致協作通信中繼選擇準確性下降，從而降低其性能優勢。本文以解碼轉發協作通信系統為例研究了信道連續時變對系統誤包率性能的影響，發現與傳統分組衰落信道下的結果有較大差距。連續時變信道下，協作通信誤包率性能惡化更加嚴重，因而未來的研究工作需要針對這種信道特點研究相應的性能改善策略。

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Research on the Impact of Continuous Time-Varying Channel on Cooperative Communication

SONG Guangming1，FEI Li2，FANG Yiwei2
（1.Institute of Navy Equipment，Beijing 100161，China；2.722 Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Wuhan 430079，China）

Cooperative communication is one of the effective approaches to improve the performance of wireless communication since it can combat the fading of wireless channel.The implementation of its performance advantage is affected by the time-varying characteristic of wireless channel.In this paper，the performance of cooperative communication under continuous time-varying channel was studied.To accurately reflect the situation that channel was continuous time-varying，the interpolated filtered Gaussian noise approach was used to model the continuous time-varying channel and the packet error rate（PER）was chosen as the performance indicator.Simulation results showed that the outdated channel state information（CSI）whose degree was aggravated with data transmission would lead to large performance deterioration.

continuous time-varying channel；cooperative communication；outdated CSI

TN911

A

1673-1522（2016）05-0523-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.05.005

2016-04-26；

2016-07-08

宋光明（1978-），男，工程師，碩士。